Włók na wę glo we

Włók na wę glo we to ma te riał, któ ry zro bił bły ska wicz ną ka rie rę i dzię ki
zna czą cej ob niż ce kosz tów wy twa rza nia stał się po wszech nie do stęp ny.

P

o stę py współ cze snej che mii to w oczach
la ików przede wszyst

kim po

ja wia nie

się w do brach tech nicz nych co dzien -

ne go użyt ku ma te ria łów za stę pu ją cych sto -
so wa ne tra dy cyj nie: me ta le, drew no, skó rę,
czy włók na na tu ral ne. Co raz czę ściej ma te -
ria ły po

li me ro we nie są dla użyt

kow ni ka

zwy kłym „pla sti kiem”. Dzię ki mar ke tin go wi
zna on na zwę two rzy wa, z któ re go wy ko na ne
są czę ści je go au ta, czy sprzę tu do upra wia -
nia spor tu i re kre acji. Jest świa do my je go za -
let i prze wag nad ma te ria ła mi „tra dy cyj ny -
mi”. Wie, że do nie daw na coś ta kie go by ło
tyl ko do dys po zy cji ko smo nau tów i mi strzów
spor tu wy czy no we go. Jed nym z ta kich ma te -
ria łów, któ

ry zro

bił bły

ska wicz ną ka

rie rę

i dzię ki zna czą cej ob niż ce kosz tów wy twa -
rza nia stał się po

wszech nie do

stęp ny, są

włók na wę glo we. Na si ucznio wie wie dzą czę -
sto kroć znacz nie wię cej od nas o ich wy ko -
rzy sta niu, a po nie waż uczy my ich o od mia -
nach alo

tro po wych wę

gla już w gim

na z-

jum, war to wy ja śnić na lek cji che mii, czym
jest włók no wę glo we.

Po cząt ki włók na wę glo we go i je go hi sto ria

Za twór cę pierw sze go włók na wę glo we -

go moż

na uznać T. A. E

DI SO NA

, któ

ry

w swo jej ża rów ce, opa ten to wa nej w 1879
roku, za sto so wał je do wy ko na nia żar ni ka.
Ma te riał ten E

DI SON

uzy skał przez ogrze -

wa nie w wa run kach bez tle no wych ce lu lo zy
za war tej w ba

weł nie. Za

cho dzi wów

czas

pro ces roz

kła du ce

lu lo zy z za

cho wa niem

łań cu cha po li me ro we go i po wsta je włók no
prze wo dzą ce prąd. W udo sko na lo nych ża -
rów kach wę giel za stą pio no wol fra mem, ale

w ame ry kań skiej ma ry nar ce uży wa no ża ró -
wek z włók nem wę glo wym aż do ro ku 1960,
gdyż roz grza ny dru cik wol fra mo wy ła twiej
zry wa się pod

czas wstrzą

sów niż włók

no

wę glo we.

Włók no wę glo we, któ re moż na uwa żać

za pierw sze współ cze sne, wy two rzył w 1957
ro ku dr R

O GER

B

A CON

, pra cu ją cy dla

Union Car

bi de Par

ma Tech

ni cal Cen

ter

(Cle ve land – Ohio). Su row cem był ny lon,
któ ry ogrze wa ny ule gał kar bo ni za cji (uwę -
gle niu). Pro

dukt ten po

cząt ko wo od

zna -

czał się ni ską za war to ścią wę gla, w sto sun -
ku do obec

nie uzy

ski wa nej (do 100%),

oraz ni

ski mi pa

ra me tra mi wy

trzy ma ło ści

i sprę ży sto ści. Ame ry ka nie roz wi ja li tech -
no lo gie pro

duk cji włó

kien wę

glo wych

głów nie na ba zie ny lo nu i pa ku naf to we go.
Pa ra me try uzy

ski wa nych włó

kien za

czę ły

osią gać nie

wia ry god ne wręcz war

to ści.

L

E ONARD

S

IN GER

(Union Car bi de) opa ten -

to wał w 1977 ro ku me to dę pro duk cji ta kie -
go włók na z pa ku naf to we go zwa ną „taf fy -
-pul ling”, przez ana

lo gię do pro

duk cji

z kar me lu po pu lar nych ame ry kań skich cu -
kier ków „cią gu tek” (ang. taf fy). Ogrze wa ny
do bar dzo wy so kiej tem pe ra tu ry pak jest
wy cią ga ny przez spe

cjal ne urzą

dze nie

(rów nież opa ten to wa ne), a dłu gie czą stecz -
ki związ

ków wę

gla ule

ga ją wów

czas

wzdłuż nej orien

ta cji (uzy

sku ją struk

tu rę

cie kło kry sta licz ną) i ule

ga ją kar

bo ni za cji

do włók na wę glo we go o wy so kiej za war to -
ści wę gla (do 85%). Włók no otrzy ma ne tą
me to dą ma ul tra wy so ki mo duł sprę ży sto -
ści (mo duł Y

OUN GA

) – na wet do 1000 GPa

oraz do bre prze wod nic two ciepl ne. Ten ro -

WŁO DZI MIERZ KU ŚMIER CZUK

Nauka i technika

Chemia w Szkole

6

Nauka i technika

6/2008

dzaj tech

no lo gii sto

so wa ny jest obec

nie

rzad ko do pro duk cji włó kien o spe cjal nym
przeznaczeniu, gdyż me to da jest kosz tow -
na. We wcze snych la tach 60–tych Ame ry -
ka nie za

czę li uży

wać ja

ko su

row ca po

li-

a kry lo ni try lu (PAN), ale wkrót ce z nie go
zre zy gno wa li. Tech no lo gie pro duk cji włó -
kien z PAN roz wi ja li Ja poń czy cy, a na stęp -
nie Bry tyj czy cy, uzy sku jąc zna ko mi te efek -
ty, a przy tym bar dzo zna czą co ob ni ża jąc
kosz ty ich wy twa rza nia. Obec nie PAN jest
naj czę ściej sto so wa nym na świe cie pre kur -
so rem włó kien wę glo wych.

Struk tu ra i wła ści wo ści włó kien wę glo wych

Po je dyn cze włók no wę glo we jest dłu gą

rur ką o śred ni cy 5–10 µm. Skła da się pra wie
wy łącz nie z wę gla. Je go struk tu ra przy po -
mi na do pew ne go stop nia struk tu rę gra fi tu.

Krysz tał gra

fi tu skła

da się z pła

skich

czą ste czek wę gla (gra fe nów), gdzie ato my
wę gla two rzą układ sze ścio ką tów, a ar ku -
sze gra fe nów uło żo ne są rów no le gle. Mię -
dzy ty

mi czą

stecz ka mi dzia

ła ją sła

be si

ły

van der Wa a lsa, co spra wia, że gra fit jest
mięk ki i kru chy.

W za leż no ści od uży te go pre kur so ra i wa -

run ków kar bo ni za cji włók no wę glo we mo że
mieć struk

tu rę gra

fi to wą, tur

bo stra tycz ną

al bo za wie rać frag men ty obu struk tur.

Włók na wę

glo we wy

twa rza ne z pa

ku

naf to we go, któ ry w mo men cie for mo wa nia
ma struk tu rę cie kło kry sta licz ną, za cho wu ją
upo rząd ko wa ny po wierzch nio wo, hek sa go -
nal ny układ ato mów wę gla. Po wierzch nie
uło żo ne są war stwo wo, z tym że war stwy są
po fał do wa ne. Kry sta licz na struk tu ra spra -

wia, że ma te riał ma bar dzo wy so ki współ -
czyn nik sprę ży sto ści (kil ka set GPa) i, dzię -
ki du że mu udzia ło wi ato mów o hy bry dy za -
cji sp

2

, do

bre prze

wod nic two ciepl

ne.

Włók na otrzy my wa ne z PAN ma ją struk tu -
rę turb ostra tycz ną. Ar ku sze ato mów wę gla
są tu zwi nię te wzdłuż osi włók na i w spo sób
przy pad ko wy po

za gi na ne. Włók

no ta

kie

ma du żą wy trzy ma łość na zry wa nie, na wet
do 6 GPa. W za sto so wa niach tech nicz nych
wy ko rzy stu je się oba ty py struk tu ral ne włó -
kien. Po rów na nie pa ra me trów sta li o wy so -
kiej sprę

ży sto ści ze stan

dar do wym włók

-

nem wę glo wym przed sta wio no w Tab. 1.

7

Rys. 2. Struktura włókna węglowego.

Źródło: http://www.chem.wisc.edu

Rys. 1. Włókno węglowe o średnicy 6

µm (czarne) na tle

włosa ludzkiego.

Źródło: wikipedia.org./wiki/Karbon_fiber

Ta be la 1.

Pa ra me try sta li o wy so kiej sprę ży sto ści i stan dar do we go włók na wę glo we go

Materiał

Wytrzymałość

na rozciąganie

[GPa]

Moduł

sprężystości

[GPa]

Gęstość

[g/cm

3

]

Wytrzymałość/gęstość

standardowe
włókno węglowe

3,5

230,0

1,75

2,00

stal o wysokiej
sprężystości

1,3

210,0

7,87

0,17

Nauka i technika

Chemia w Szkole

Che mizm wy twa rza nia włó kien wę glo wych

Włók no wę

glo we po

wsta je w pro

ce sie

prze kształ ca nia w wy

so kich tem

pe ra tu rach

struk tu ry or ga nicz nych po li me rów o bar dzo
dłu gich łań cu chach. Za war tość wę gla w pro -
duk cie zna czą co wzra sta, stąd na zwa pro ce su
– kar bo ni za cja (gra fi ty za cja). Naj czę ściej
sto so wa nym po li me ro wym pre kur so rem jest
obec nie PAN, otrzy my wa ny przez po li me ry -
za cję akry lo ni try lu (CH

2

=CH –CN). Ni try le

są związ ka mi, któ re po ja wia ją się w nie któ -
rych li ce al nych pod ręcz ni kach dla roz sze rzo -
ne go pro

gra mu che

mii, ale przed

sta wia na

tam me to da ich otrzy my wa nia (z ace ty le nu
i cy ja no wo do ru) nie ma nic wspól ne go z prak -
ty ką prze my sło wą. Mo no mer ten uzy sku je się
jed no eta po wą me to dą przez utle nia ją cą amo -
no li zę pro

pe nu w obec

no ści od

po wied nich

ka ta li za to rów. Su

mę re

ak cji ele

men tar nych

dla te go pro ce su moż na za pi sać:

CH

2

=CH–CH

3

+ NH

3

+ 3/2O

2

CH

2

=CH –CN + 3H

2

O

Ciąg po cząt ko wych prze kształ ceń po lia -

kry lo ni try lu ob

ra zu je sche

mat re

ak cji

pokazany na Rys. 3.

Aby włók no wę glo we otrzy ma ne z PAN

mia ło do bre wła ści wo ści me cha nicz ne, po li -
mer mu si od zna czać się dużą czy sto ścią i ma -
są czą

stecz ko wą ok. 100 000 u. Naj

pierw

PAN pod

da je się utle

nia ją cej sta

bi li za cji

w pie cu wie lo stre fo wym o ro sną cej w spo sób
cią gły tem pe ra tu rze (150–300°C). Otrzy ma -
ny produkt ule

ga na

stęp nie dwu

eta po wej

kar bo ni za cji w in nym pie cu, w at mos fe rze ga -
zu obo jęt ne go (zwy kle azo tu). Tem pe ra tu ra
wzra sta wów

czas od 1000°C do 2500°C.

Więk szość wo

do ru, azo

tu i tle

nu usu

wa na

jest w po sta ci sub stan cji ga zo wych i two rzy
się gra fi to po dob na struk tu ra o bar dzo du żym
udzia le ato

mów wę

gla, któ

re go or

bi ta lom

wa le ny cj nym przy pi su je się hy bry dy za cję sp

2

.

Do dat ko we ogrze wa nie do tem pe ra tu ry ok.
3000°C prowadzi do włók

na wę

glo wego

o wy so kim współ czyn ni ku sprę ży sto ści i jesz -
cze wyż szej za war to ści wę gla.

Za sto so wa nia

Splot ty się cy po je dyn czych włó kien two rzy

nić, z któ rej wy twa rza się tka ni ny (Rys. 4).

Więk szość wy twa rza nych włó kien sto so -

wa na jest ja

ko ma

te riał wzmac

nia ją cy

w kom po zy tach, gdzie za

le wa

się je ja kimś ro dza jem po li me -
ru, np. ży

wi cy epok

sy do wej.

Ten dru gi skład nik no si na zwę
ma try cy. Wła

ści wo ści kom

po -

zy tów za

le żą od stop

nia upo

-

rząd ko wa nia włó kien, je go za -
war to ści ma

so wej, ro

dza ju

po li me ru ma try cy. Uzy ski wa ne
ma te ria ły kom

po zy to we ma

ją

zróż ni co wa ne wła ści wo ści, stąd
wszech stron ność ich za

sto so -

wań. Ogrom

na wy

trzy ma łość,

a przy tym lek

kość wy

ro bów

kom po zy to wych wzmac

nia -

nych włók

nem wę

glo wym to

ich głów

na za

le ta. Ich bar

wa

zmie nia się od sza

rej do

czarnej. Do po spo li tych wy ro -
bów kon

su menc kich z włók

-

nem wę glo wym należą, np.

sprzęt spor to wy: ra kiet ki do
te ni sa sto ło we go, węd ki, ro-

8

Rys. 3.

Nauka i technika

6/2008

we ry, ło dzie (ka dłu by, masz ty), obu wie,
ubra nia, tar cze i ko per ty ze gar ków i in ne;

obu do wy lap to pów i sprzę tu au dio, in stru -
men ty mu zycz ne, ale tak że drzwi i krze sła;

ele men ty kon struk cji sa mo lo tów (w tym
naj więk szych pa sa żer skich), aut, mo to -
cy kli i wie

le ak

ce so riów uży

wa nych

w mo to ry za cji.
W bu dow nic twie sto su je się już be ton

zbro jo ny prę ta mi z włók na wę glo we go
za miast sta lą. Mo że on słu żyć do wzno sze -
nia no wych, lżej szych i od por niej szych bu -
dow li lub na pra wy i mo der ni za cji już ist nie -
ją cych, np. mo stów. Nie tyl ko prze dłu ża to
ich ży wot ność, bo zbro je nie nie ko ro du je
i nie ule ga zmę cze niu jak stal, ale tak że
zwięk sza wy trzy ma łość kon struk cji.

Gra fit wzmoc

nio ny włók

nem wę

glo -

wym jest ma te ria łem kon struk cyj nym sto so -
wa nym w wa run kach wy so kiej tem pe ra tu ry.
Uży wa się go do fil tra cji ga zów o wy so kiej
tem pe ra tu rze, wy twa rza nia elek trod o du żej
po wierzch ni i cał ko wi cie od por nych na ko ro -
zję, a także ja ko skład ni ka an ty sta tycz ne go.

Ak ty wo wa ne włók

na wę

glo we sto su je

się w do mo wych fil trach do wo dy i w woj -
sko wych ma skach prze ciw ga zo wych; nie są
sto so wa ne ja ko ma te riał wzmac nia ją cy. Pre -
kur so rem jest dla nich ce lu lo za, np. w po sta -
ci je dwa biu wi sko zo we go, lub włók na wi ny -
lo we. Tka ni ny z ta kich włó kien ogrze wa się
do 1300°C w sła bo utle nia ją cej at mos fe rze
(CO

2

lub pa ra wod na). Na da je to pro duk to -

wi po

ro wa tą struk

tu rę i ol

brzy mią po

-

wierzch nię sorp cyj ną. Po na sy ce niu powierz-

ch ni ad sor bent moż na ła two zre ge ne ro wać
i sto so wać po wtór nie.

Re cy kling kom po zy tów
z włók nem wę glo wym

Re cy kling ma

te ria łów kom

po zy to wych

jest szcze

gól nie utrud

nio ny ze wzglę

du na

róż ne ro dza je szkie le tu i ma try cy, a przez to
kosz tow ny. Ma te ria ły od pa do we z kom po zy -
tów kla sy fi ku je się ja ko od pa dy po ten cjal nie
nie bez piecz ne i część kra jów Unii Eu ro pej -
skiej od ro

ku 2004 wpro

wa dzi ła za

kaz ich

skła do wa nia na wy

sy pi skach. Po

wierzch nia

włók na wę glo we go po kry wa na jest przed za -
nu rze niem w ma try cy sub stan cja mi zwięk sza -
ją cy mi przy

le ga nie ży

wi cy. Znajdują się

wśród nich związ

ki chro

mu(VI), któ

rych

uwal nia nie do śro do wi ska jest po waż nym za -
gro że niem. Spa

la nie kom

po zy tu pro

wa dzi

z ko lei do uwal nia nia do po wie trza mi kro -
sko pij nych, prze

wo dzą cych prąd włó

kien

i tak że nie wcho dzi w grę. Po nie waż włók no
wę glo we jest cen nym ma te ria łem, je go re ge -
ne ra cja z od

pa dów mo

że być zy

skow nym

przed się wzię ciem. Ini cja to rem re cy klin gu ta -
kich od pa dów był prze mysł lot ni czy, zu ży wa -
ją cy obec nie ogrom ne ilo ści te go two rzy wa.
We wpro wa dzo nym na ry nek w 2007 ro ku
naj now szym mo

de lu sa

mo lo tu Bo eing 787

„Dre am li ner”, Air bus A-350, włók no wę glo we
sta no wi ok. 50% ma sy. Sto suje się kil ka tech -
no lo gii re

cy klin gu tzw. trze

ciej ge

ne ra cji.

Jed na z nich, zwa na kon wer sją ka ta li tycz ną,
pro wa dzo na w ra fi ne riach ro py naf to wej, po -
zwa la uzy ski wać z ma te ria łu ma try cy związ ki
or ga nicz ne, któ re mo gą być skład ni ka mi pa -
liw i im pre gnan ta mi do drew na. Od zy ska ne
włók no wę glo we szkie le tu ma czy stość po wy -
żej 99% (!). Nie do stat kiem jest to, że włók no
re ge ne ro wa ne jest krót

sze od pier

wot ne go

na sku tek cię

cia lub mie

le nia kom

po zy tu,

stąd ma węż szy za kres za sto so wań. Jest za to
tań sze od no wo wy two rzo ne go, a pa ra me t-
ry wy twa rza nych z nie go kom po zy tów są nie -
co gor sze.

9

Rys. 4.

Mgr

WŁO DZI MIERZ KU ŚMIER CZUK

Gim na zjum Nr 3 oraz I Spo łecz ne Li ceum Ogól no kształ cą ce

w Za mo ściu.